Биополимеры. Химия и технология полиоксибутирата
 Скачать 265.4 Kb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Волгоградский государственный технический университет» Химико-технологический факультет Кафедра «Химическая технология переработки эластомеров» Семестровая работа по дисциплине «Химия биополимеров» на тему: «Химия и технология полиоксибутирата» Выполнил: студент группы ХТ- 444 Калашников М.А. Проверил: профессор, доктор химических наук Дербишер Вячеслав Евгеньевич Волгоград 2022 г СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ Разработка и освоение новых, экологически чистых материалов, включающихся в биосферные круговоротные циклы, соответствует концепции экологически безопасного устойчивого промышленного развития. В «Повестке 21 века», принятой в 1991 г. на специальной конференции ООН по окружающей среде и развитию, акцентировано внимание на необходимость разработки и внедрения новых экологически безопасных материалов. Полимерные материалы необходимы для различных сфер человеческой деятельности. Среди них – известные и широко применяемые синтетические материалы и полимеры биологического происхождения, так называемые биополимеры. Синтетические полимеры (нейлон, полиэтилен, полиуретан) совершили революцию в нашем образе жизни, но их применение создает ряд проблем. Вопервых, синтетические полимеры получают из невозобновляемых ресурсов; во-вторых, применение не разрушаемых в природной среде пластиков и их накопление ведет к загрязнению окружающей среды и создает глобальную экологическую проблему. Объемы выпуска не разрушаемых в природной среде синтетических пластмасс, главным образом полиолефинов (полиэтилена, полипропилена и др.), получаемых в экологически тяжелых процессах нефтеоргсинтеза, а также полистеринов, огромны и ежегодно возрастают примерно на 25 млн тонн. При этом основная их часть складируется на свалках, т. к. повторной переработке в развитых странах подвергается не более 16–20 %. В настоящее время объемы производства полиолефинов достигли 150 млн тонн в год. Рассматриваемые проекты возможной реутилизации химических пластиков неоптимистичны. Поэтому радикальным решением проблемы «полимерного мусора» является освоение полимеров, способных при соответствующих условиях биодеградировать на безвредные для живой и неживой природы компоненты. Среди применяемых и активно разрабатываемых в настоящее время биоматериалов – алифатические полиэфиры, полиамиды, сегментированные полиэфируретаны, полимеры молочной и гликолевой кислот, силикон, полиэтилентерефталат и полиэфиры, синтезируемые микроорганизмами, так называемые полиоксиалканоаты (ПОА) ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛИОКСИБУТИРАТА Полиоксибутират представляет собой изотактический полиэфир с регулярными, одинаково ориентированными (голова к хвосту) оксимасляной кислоты: [ OCH(CH3)CH2C ]n.  Анализ констант-дипольного взаимодействия между протонами НА, НВ и НХ в магнитно-изолированном фрагменте, показанном на рисунке, позволил получить данные, усредненные по трем возможным конформациям, обозначенным через I, II и III (рис.3.5а), обусловленным поворотами вокруг связей Н3СНХС–СНАНВ. С учетом общепринятых теоретических значений для констант, характеризующих транс- и гош-конформацииРис. 3.5. Три возможные изомерные конформации (I – транс; II – гош; III – противоположная гош) (а) и прецизионная регистрация отдельных линий спек- тра Н (500 МГц) полиоксибутирата (б), синтезированого в Ralstonia eutropha Полиоксибутират представляет собой бесцветное полукристаллическое гидрофобное вещество. Плотность аморфной фазы ПОБ составляет 1.177 г/см3, кристаллической – 1.23–1.26 г/см3. В ПОБ кристаллическая фаза доминирует над аморфной. Изотактический полиоксибутират по строению сходен с изотактическим полипропиленом; у обоих пендантные метиловые группы прикреплены и ориентированы в полимерной цепи в единственной конформации.  Полиоксибутират представлен плотно упакованными двойными спиралями, повторяющимися на расстоянии 5.95 Ă и двукратно закрученными вправо вокруг оси. Конформация спирали стабилизируется взаимодействием карбонил-метильных групп и не зависит от гидроксильных групп. Цепь оксибутирата имеет 21 спиральную конформацию, орторомбические ячейки в решетке при пространстве группы P212121 характеризуются следующими параметрами: а=5.76 Ẫ, в=13.20 Ả, с=5.96А.Рис. 3.3. Модель молекулы полиоксибутирата, построенная на базе рентгеноструктурного и конформационного анализа ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИОКСИБУТИРАТА Полиоксибутират входит в группу веществ, обладающих схожими химическими свойствами, а именно: Термопластичность Антиоксидантные свойства Оптическая активность Пьезоэлектрический эффект Биосовместимость Биодеградируемость Биорезорбция Полиоксибутират отличается своей твердостью и хрупкостью. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИОКСИБУТИРАТА Последовательность реакций синтеза полиоксиалканоатов иллюстрирует схема (рис. 2.1). Процесс можно разделить на 3 этапа: на первом происходит транспорт источника углерода, необходимого для синтеза полимеров, из внешней среды в клетку, который катализируется специфическими ферментными транспортными системами, локализованными в цитоплазматической мембране или расположенными диффузно внутри клетки. Вторая фаза, включающая комплекс анаболических и катаболических реакций, конвертирует компоненты в гидроксиацил коэнзим-А, тиоэфир которого является субстратом для ПОА-синтазы. На третьем этапе, ПОА синтаза (ключевой фермент биосинтеза данных полимеров), использует тиоэфиры как субстраты и катализирует образование эфирных связей между ними при участии КоА. Данное представление не допускает, что ПОА синтаза для образования полимеров также использует другие  Рис. 2.1. Этапы синтеза ПОА в бактериях (Steinbüchel, Valentin, 1995b). тиоэфиры гидроксикислот. Вторая фаза – очень существенна для процесса в целом, т. к. во время нее источник углерода конвертируется в субстраты, необходимые для синтеза ПОА. Многие бактерии способны превращать КоА последовательно в ацетацетил КоА и далее – в D(-)-3-гидроксибутирил-КоА, дающий начало полиоксибутирату. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИОКСИБУТИРАТА Из ПОА возможно получение гибких пленок различной толщины, в том числе полупроницаемых мембран, нитей, нетканых материалов, различных полых форм (бутыли, контейнеры, коробки и пр.), а также гелей и клеев. Совокупность характерных свойств делает их перспективными для применения в различных сферах, – медицине, фармакологии, пищевой и косметической промышленности, сельском и коммунальном хозяйстве, радиоэлектронике и других сферах. Масштабы применения полиоксиалканоатов в настоящее время сдерживаются достаточно высокой стоимостью (практически на порядок более высокой, по сравнению с полиолефинами). Однако возрастающие требования к охране окружающей среды, с одной стороны, и имеющиеся перспективы снижения стоимости биополимеров за счет повышения эффективности производства, с другой, делают полиоксиалканоаты одним из перспективных материалов XXI века. Уже сейчас сферы применения полиоксиалканоатов – самые различные. Данные материалы активно исследуются с целью переработки в США, Скандинавии и Европе, особенно в Германии и Голландии. Совет объединенной Европы утвердил концепцию необходимости замены не разрушаемых синтетических пластиков биодеградируемыми полимерами, а с 1993 г санкционировано применение упаковочной продукции из ПОА в пищевой промышленности. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Линейная структура молекул ПОБ придает им свойство термопластичности. При нагревании молекулярные цепи в ПОБ легко сдвигаются относительно друг друга, в результате этого материал размягчается и приобретает текучесть. Данное технологическое свойство имеет большую коммерческую ценность, так как позволяет с использованием различных методов получать из полиоксиалканоатов разнообразные изделия и материалы. Биодеградируемость и биосовместимость открывают широкие перспективы ПОБ для применения в фармакологии и медицине, остро нуждающейся в настоящее время в связи с развитием трансплантологии и тканевой инженерии в функциональных и биосовместимых материалах. Несмотря на то, что активные биомедицинские исследования полиоксибутирата развернуты сравнительно недавно, уже сейчас убедительно продемонстрирован его высокий потенциал для применения в сердечно-сосудистой хирургии и трансплантологии, ортопедии и урологии, челюстно-лицевой хирургии и фармакологии. Таким образом, ценные медико-биологические свойства полиоксибутирата, прежде всего биосовместимость и биоразрушаемость, разнообразие состава и в силу этого вариабельность физико-химических и технологических свойств, возможность получения различными биотехнологическими методами и переработки в специальные изделия медицинского назначения определяют широту и разнообразие реальных и потенциальных возможностей биомедицинского использования. Все это указывает на необходимость дальнейших, более глубоких и разносторонних исследований данного интереснейшего биоматериала. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1)Адамян А. А. Основные направления и перспективы в создании и клиническом применении полимерных имплантатов // Биосовместимость. – 1994. – № 2. – С. 97–107. 2)Безбородов А. М. (Поли-β-оксимасляная кислота // В кн. Биотехнология продуктов микробного синтеза. Москва: Агропромиздат. – 1991. – С. 32–42. 3)Беляев Б. А., Волова Т. Г., Дрокин Н. А., Шепов В. Н. СВЧ-диэлектрическая проницаемость полиоксибутирата – деградируемого полимера // Докл. РАН. – 2000а. – Т. 370. – № 6. – С. 828–831. 4)Беляев Б. А., Волова Т. Г., Дрокин Н. А., Шепов В. Н. Исследование СВЧдиэлектрической проницаемости в диапазоне сверхвысоких частот деградируемого биополимера полиоксибутирата // Биофизика. – 2000. – Т. 45. – вып.4. – С. 636–640. 5)Биосовместимость. Под ред В. И. Севастьянова // М.: ИЦ ВНИИгеосистем. – 1999. – 368 с. 6)Бонарцева Г. А. Тестирование активности клубеньковых бактерий по накоплению поли-β-оксибутирата при витальном окрашивании их колоний фосфином 3R // Микробиология. – 1985. – Т. 54. – С. 461–464. 7)Волова Т. Г., Шишацкая Е. И., Гордеев С. А., Зеер Э. П. Исследование структуры и свойств полиоксибутирата – термоплаcтичного биоразрушаемого полимера // Перспективные материалы. – 2001. – № 2. – С. 40–48. 8)Волова Т. Г., Калачева Г. С., Трусова М. Ю., Тюлькова Н. О., Пузырь А. П. Исследование внутриклеточной деградации полиоксибутирата в культуре водородных бактерий // Микробиология. – 1999. – Т. 68. – С. 72–78. |